автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Оптимальное управление потоками реактивной мощности в распределительных электрических сетях в условиях неопределенности

На правах рукописи

Казакул Алексей Александрович

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ОКТ 2012

Иркутск- 2012

005053743

005053743

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, декан

энергетического факультета ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет» Савина Наталья Викторовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, ведущий

научный сотрудник ИСЭМ СО РАН Голуб Ирина Ивановна

кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, сетей и систем «Национального Исследовательского Иркутского Государственного Технического Университета» Мурашко Николай Андреевич

Ведущая организация: ОАО «Федеральная сетевая компания Единой

энергетической системы», г. Москва

Защита состоится « 29 » октября 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 003.017.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждение науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН) по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, д. 130 к. 355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЭМ СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью оргаш • зации, просим направлять по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 130, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «27» сентября 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.017.01, доктор технических наук,

профессор A.M. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Управление потоками реактивной мощности (РМ) является одним из аспектов управления электрическими режимами, которое направлено на оптимизацию сети по напряжению и реактивной мощности, что приводит к снижению потерь активной мощности и, соответственно, затрат электрической энергии на ее транспорт. Становление рыночных условий функционирования электроэнергетики в России и стремление в перспективе перейти к активно-адаптивному управлению требует повышения качества управления потоками РМ. Все это определяет необходимость поиска новых принципов и подходов к их управлению.

Проблема эффективного управления потоками РМ особенно сложно поддается решению в распределительных сетях напряжением 6-110 кВ, которые характеризуются значительной протяженностью, большим количеством линий и подстанций (ПС), высокой степенью схемно-режимной неопределенности. Неопределенность при решении задачи управления электрическими режимами обусловлена слабой обеспеченностью электрических сетей измерительными комплексами, стохастической природой электрических нагрузок, рыночными условиями функционирования электроэнергетических систем (ЭЭС), человеческим фактором, а также изменением конфигураций схем электрических сетей в процессе эксплуатации.

Управление потоками РМ возможно путем компенсации реактивной мощности (КРМ). Решению задачи КРМ посвящены работы Ю.С. Железко, В.А. Веникова, Г.Е. Поспелова, Д.А. Арзамасцева, Ф.Ф. Карпова, H.A. Мельникова, И.Н. Ковалева, В. Д. Ариона, Б. И. Брянцева, В.В. Красника, К. Е1Н-thy, J. Jerome, A. Pourshafie и многих других ученых. В своих трудах они раскрыли подходы, основанные как на детерминированном задании исходной информации, так и на вероятностном, обозначили проблему КРМ как многокритериальную, которую можно решить, оптимизируя целевую функцию либо по одному параметру, либо по нескольким. В работах последних лет при частных решениях задачи КРМ активно применяются эволюционные методы: генетические алгоритмы и искусственные нейронные сети. Однако использование КРМ как средства комплексного повышения технико-экономических показателей электрических сетей при исходной информации разного качества, в том числе и низкого, осуществляемое на основе системного анализа, до сих пор не рассматривалось.

На сегодняшний день максимально высокие технико-экономические показатели КРМ могут быть достигнуты лишь при использовании дуального подхода к управлению потоками РМ: сочетания технологического управления и системы менеджмента, что в принципе ранее не применялось.

Таким образом, задача разработки метода оптимального управления потоками реактивной мощности в условиях неопределенности для повышения технико-экономических показателей распределительных сетей на основе дуального подхода является актуальной.

Целью диссертационного исследования является разработка метода и алгоритма оптимизации потоков реактивной мощности в распределительных сетях в условиях неопределенности.

Задачи исследования:

• анализ современного состояния управления потоками реактивной мощности и обзор технических средств, применяемых для его реализации;

• моделирование параметров режима при различной степени полноты и достоверности исходной информации для управления потоками реактивной мощности;

• разработка метода и алгоритма оптимальной КРМ в распределительных электрических сетях в условиях неопределенности;

• формализация процесса решения разработанного метода;

• управление эксплуатационными издержками путем КРМ в условиях неопределенности на основе системы менеджмента качества.

Методы исследования. Для реализации поставленных в диссертации задач используются: системный анализ, теория нечетких множеств, теория случайных процессов, вейвлет-анализ, методы оптимизации. В качестве программных инструментов для расчета электрических режимов применяются программно вычислительные комплексы 500-6 и Каз^ХУт, а также системы компьютерной математики МАТЬАВ 7.0, \lathcad 14.0.

Объект исследования: электрические сети напряжением 6-110 кВ распределительных сетевых компаний.

Предмет исследования: потоки реактивной мощности на разных временных интервалах при эксплуатации распределительных электрических сетей.

Научную новизну диссертационной работы составляют следующие положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Расширена область применения моделей информационных потоков, предложенных Савиной Н.В., на управление реактивной мощностью в распределительных электрических сетях.

2. Разработана многоуровневая иерархическая модель компенсации реактивной мощности, основанная на системном подходе и позволяющая, в отличие от существующих подходов, обеспечить оптимальные потоки реактивной мощности в сетях 6-110 кВ распределительных сетевых компаний в условиях неопределенной режимной и схемной информации.

3. Разработан метод компенсации реактивной мощности, отличающийся возможностью получения оптимальных результатов при неполноте и недостоверности исходной информации, позволяющий эффективно управлять потоками реактивной мощности в распределительных электрических сетях напряжением 6-110 кВ, достигая максимального для эксплуатации эффекта.

4. Впервые предложен формализованный подход, с помощью которого разработанный метод КРМ в условиях неопределенности быстро реализуется для распределительных сетей любой конфигурации с помощью существующих программных продуктов.

5. Разработан алгоритм управления потоками реактивной мощности в распределительных сетях при использовании исходной информации любого качества, в том числе и низкого, обеспечивающий высокую эффективность управления на разных временных интервалах.

6. Впервые применен процессный подход для управления уровнем эксплуатационных издержек распределительных сетевых компаний путем компенсации реактивной мощности.

Практическая значимость и реализация исследования. Разработана инженерная методика управления потоками РМ в распределительных сетях в условиях неопределенности, которая позволяет с помощью широко распространенного сертифицированного программного обеспечения получить оптимальные мощности и места подключения компенсирующих устройств.

Реализация предложенной инженерной методики позволила определить места установки и мощности конденсаторных установок в структурном подразделении «Южные ЭС» филиала ОАО «Дальневосточная распределительная сетевая компания» «Приморские электрические сети» для эффективного управления потоками РМ. Ожидаемый комплексный эффект от внедрения всех рекомендуемых конденсаторных установок составит 26,2 млн. руб. в год, в том числе 8,5 млн. руб. за счет снижения потерь активной энергии. В результате внедрения конденсаторных установок суммарной мощностью 15,5 Мвар (25 шт.) из рекомендованных 46,8 Мвар (50 шт.) подтвержден экономический эффект в 2,6 млн. руб. только за счет снижения потерь электрической энергии.

Разработанные методы и алгоритмы применены при выполнении научно-исследовательской работы, реализуемой в ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет» в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ на оказание услуг № 7.2143.2011, номер государственной регистрации НИР 01201253224.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность энергоресурсов», Благовещенск, 2008, 2011 гг.; межвузовской XI региональной научно-практической конференции «Молодежь XXI века: шаг в будущее», Благовещенск, 2010 г.; объединенном симпозиуме «Энергетика России в XXI веке: стратегии развития - восточный вектор», «Энергетическая кооперация в Азии: что после кризиса?», Иркутск, 2010 г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», Иркутск, 2011 г.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены автором совместно с научным руководителем.

Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены в 11 печатных работах, в том числе в трех журналах, рекомендован-

ных ВАК, в сборнике трудов международной конференции в Республике Польше, в рецензируемых изданиях, в трудах Всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 8 приложений. Общий объем диссертационной работы (без приложений) 204 стр., в том числе 76 рис. и 20 таблиц. Библиографический список включает 158 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, показаны: цель, задачи, научная новизна, практическая значимость, результаты внедрения, описано основное содержание работы.

В первой главе дана характеристика существующих методов КРМ, программных продуктов и технических средств, используемых при ее реализации, приведено морфологическое описание сети, обозначены задачи управления потоками реактивной мощности.

Традиционно КРМ направлена на решение балансовой, экономической задачи и задачи регулирования напряжения. Классические подходы к КРМ рассматривают каждую из них отдельно, что в современных условиях может приводить к противоречивым результатам, перерасходу средств и несогласованной работе компенсирующих устройств.

Различия рассмотренных методик КРМ заключаются в постановке и условиях решаемой задачи, виде целевой функции, количестве критериев оптимизации, типа используемых исходных данных, способах поиска решения. Большая часть методов опирается на один или несколько характерных режимов и не позволяет получить оптимальный результат для всего множества складывающихся режимов при функционировании сети в условиях неопределенности.

Попытка снизить степень неопределенности путем расчета максимально возможного количества режимов не является выходом из сложившейся ситуации и приводит лишь к увеличению размерности решаемой задачи и трудоемкости получения результата. Методы, использующие для решения наиболее перспективные механизмы эволюционного исчисления, дают хорошие результаты лишь для частных моделей, а не для распределительных сетей произвольной конфигурации в целом.

Широко распространенные программы для расчетов электрических режимов, в которых имеются функции по оптимизации потоков РМ, также ориентированы на ретроспективные режимы. В современных и особенно в будущих условиях функционирования ЭЭС их применение не всегда позволит обеспечить желаемые результаты, и кроме того, может привести к противоречивым решениям не только в части мощности компенсирующего устройства, но и места его установки. Все это затрудняет получение мест подключения компенсирующих устройств, оптимальных для всех возможных режимов,

существующими методами. Нужен иной подход к решению рассматриваемой задачи.

В существующих методиках КРМ в качестве целевой функции используются, как правило, приведенные затраты, составляющие которых не отвечают современным условиям функционирования Российской электроэнергетики.

Анализ опыта применения компенсирующих устройств в сетях различных классов напряжений и методик КРМ показал, что в распределительных сетях 35 кВ и ниже наиболее эффективными являются регулируемые и нерегулируемые конденсаторные установки (КУ), а в сетях 110 кВ - статические компенсирующие устройства индуктивно-емкостного типа. Это объясняется широкими диапазонами их мощностей, простотой эксплуатации, относительно небольшими потерями электроэнергии, что актуально для неравномерно загруженных распределительных сетей.

Обоснована целесообразность выполнения морфологического описания распределительной сети на первом этапе управления потоками РМ в условиях неопределенности, порядок которого заключается в последовательном выделении системы, надсистемы и подсистем, структуры потребителей, принадлежности и однолинейных схем подстанций, в обработке режимных параметров. Это позволяет на начальной стадии оценить необходимость КРМ, определить потенциально возможные места подключения компенсирующих устройств, сократить размерность решаемой задачи и обеспечить снижение ошибок при расчетах, исключая технически нереализуемые решения. Таким образом, морфологическое описание является средством качественного и количественного анализа объекта, рассматриваемого для дальнейшего проведения КРМ.

На основе выполненного анализа проблемы КРМ сформулированы задачи оптимального управления потоками РМ в условиях неопределенности.

Во второй главе показана информационная обеспеченность задачи управления режимами по реактивной мощности в распределительных электрических сетях, предложена и обоснована обобщенная модель реактивной нагрузки вводных присоединений ПС.

Из всех распределительных сетей неопределенность наиболее явно выражена в тех, которые обслуживают распределительные сетевые компании (РСК). В настоящее время оснащенность распределительных сетей РСК устройствами автоматизированного сбора информации явно недостаточна, а степень полноты и достоверности исходной информации, получаемой по результатам контрольных замеров, крайне низка. Это подтверждается статистическим анализом результатов контрольных замеров, который выявил наличие только 20-30% полных и достоверных данных.

Отсутствие требуемого объема информации для эффективного управления потоками реактивной мощности приводит к необходимости решения поставленной задачи в условиях неопределенности. Поэтому для получения гарантированного результата необходимо применение математических моде-

лей, учитывающих свойства неопределенности. С целью снижения погрешности схемно-режимной информации и получения наиболее устойчивого к ней решения предложено использование обобщенной модели реактивной мощности узла нагрузки и алгоритм работы с ней.

Обобщенная математическая модель реактивной нагрузки вводного присоединения представлена в виде:

С?(0 = (?(') + & (0 + ^(0, (1)

где Q{t) - среднее значение реактивной мощности, определяемое в зависимости от степени неопределенности информационного потока;

{^¡(т) - стационарный эргодический случайный процесс с нулевым математическим ожиданием;

£/(/)- шум, описывающий нестационарную случайную составляющую.

Компоненты данной модели не коррелированы, поскольку отражают различную природу случайного процесса РМ.

В развитие идеи моделирования информационных потоков в условиях неопределенности для расчета потерь электрической энергии, предложенной Н.В. Савиной, обоснована возможность ее использования при работе с моделью (1). Для снижения степени неопределенности необходимо разделить информацию на несколько типов информационных потоков, отличающихся по качеству, и смоделировать каждый из них в определенной последовательности, зависящей от типа информационного потока. При этом модель реактивной нагрузки целесообразно раскрывать различными математическими подходами: Рекомендуемая схема использования математических аппаратов в зависимости от качества информационных потоков приведена на рисунке 1.

Тип информационного потока

Рекомендуемый математический аппарат

Полный достоверный

Теория

случайных процессов

Полный недостоверный

Неполный достоверный

Вейвлет-аналит

♦ Теория нечётких множеств

Программный метод коррекции

Рисунок 1 - Рекомендации по использованию математических средств для обработки информационных потоков различного качества.

Предложенная технология моделирования заключается в адаптации и конкретном применении известных математических средств и программ: вейвлет-анализа, теорий случайных процессов и нечетких множеств, к анализу и синтезу информационных потоков разного качества.

Данная технология обеспечивает такую точность восстановления и прогнозирования информационных потоков РМ в условиях неопределенности,

которая позволяет получить мощности компенсирующих устройств, оптимальные для всего множества складывающихся электрических режимов. Алгоритм работы с моделью (1) приведен на рисунке 2.

КОНЕЦ

Рисунок 2 - Алгоритм работы с моделью реактивной нагрузки вводного присоединения.

Основными этапами алгоритма являются: анализ качества информационных потоков, оценка характера изменения случайного процесса реактивной мощности, восстановление и достоверизация информационных потоков

низкого качества, формирование полного достоверного информационного потока, определение параметров модели.

Поскольку электрическая сеть является неоднородной и неравнопрочной, степень влияния качества информации на результат оптимизации в каждом узле индивидуальна, поэтому и точность моделирования должна быть разной. Для узлов, являющихся слабыми местами, целесообразно обеспечить высокую точность моделирования, иначе решение задачи может выйти из оптимальной области, в то время как в других узлах такая точность не требуется. Для поиска слабых мест, можно применить сенсорный анализ.

Для представления информационных потоков в виде временных зависимостей и дальнейшего их прогнозирования используется теория случайных процессов. С помощью вейвлет-анализа восстанавливается неполный информационный поток и производится его достоверизация. Это позволяет повысить точность построения временных зависимостей и определения характеристик случайных процессов. Теория нечетких множеств применяется для прогнозирования нестационарных случайных процессов РМ.

Результатом работы с моделью является получение достоверных значений ее параметров на основе ведомостей контрольных замеров, проводимых РСК.

Определение параметров модели осуществляется с помощью системы компьютерной математики МАТЬАВ 7.0, что исключает необходимость в разработке нового программного обеспечения.

В условиях неопределенности при решении задачи КРМ необходимо выбрать параметр, нечувствительный к качеству исходной информации. В работе доказано, что таковым является эквивалентная реактивная нагрузка, которая при полном достоверном информационном потоке определяется по следующему выражению:

ею,(0 = а,(0-л/1 + г2Л(/„12) (2)

5

где (2ср0) - среднее значение реактивной мощности вводного присоединения, определяемое в зависимости от вида случайного процесса;

у - коэффициент вариации;

- нормированная корреляционная функция (НКФ).

В работе приведены способы преобразования выражения (2) для различного сочетания видов случайных процессов: стационарного эргодического, стационарного неэргодического и нестационарного.

В третьей главе предложена многоуровневая иерархическая модель КРМ, на основе которой разработана методика оптимальной КРМ в распределительных сетях в условиях неопределенности (далее методика КРМ).

Современные условия функционирования электроэнергетики не изменили физическую сущность воздействия КРМ на сеть, однако привели к необходимости использования иного подхода к оценке системного эффекта - в качестве системы, для которой будет определяться этот эффект, выбраны распределительные сети напряжением 35-110 кВ, принадлежащие РСК, что

позволит рассматривать систему не только с технической точки зрения, но и оценивать ее с точки зрения менеджмента.

Предлагаемый подход к управлению потоками РМ в распределительных сетях представлен в виде многоуровневой иерархической модели КРМ, которая изображена на рисунке 3, где под иерархиями понимаются решаемые подзадачи, объединенные общей целью - оптимальной КРМ, а под уровнями - структурные единицы, выделенные по номинальным напряжениям сетей, принадлежащих РСК (I уровень - сети напряжением 6-10 кВ, II уровень - 35 кВ, III уровень - 110 кВ). Последовательность работы по уровням на каждой иерархии показана в модели условными знаками.

Иерархии Принцип работы с уровнями

( Морфологическое описание сети и корректировка режимной V информации У ©©©©

^ Расчёт электрических режимов до КРМ ) ©ц ©II®

| Выделение узлов и ветвей схемы с устойчивыми высокими | ^ значениями коэффициентов реактивной мощности (/£$!>) \ ©К©К©

Декомпозиция схемы сети

' Выбор места установки и мощности КУ ) ©К©©

( Анализ работы сети после оптимальной КРМ ^ ©II ©II®

' - - - последовательное решение ОТ >рОВНЯ К урОВНЮ

| | - совместное (параллельное) решение на нескольких уровнях

Рисунок 3 - Многоуровневая иерархическая модель КРМ.

Методически оптимальное управление потоками реактивной мощности на технологическом уровне целесообразно разделить на два этапа. Первый -КРМ в условиях неопределенности в сетях 6-35 кВ (1-го и Н-го уровней). Второй — регулирование потоками реактивной мощности в замкнутых сетях 35-110 кВ. Такое решение принято, потому что работа сети в замкнутом режиме придает ей иные свойства по сравнению с разомкнутыми сетями. Первый этап включает в себя выполнение пяти иерархий модели КРМ, второй -шестой иерархии.

Иерархическое представление выполняемых операций необходимо, так как в противном случае увеличивается размерность решаемой задачи, либо возможно получение некорректного результата.

Осуществление операций от уровня к уровню на каждой иерархии дает возможность последовательного решения всех трех классических задач КРМ.

Оптимизация потоков РМ в сети осуществляется путем решения задачи минимизации функционала, который объединяет функции зависимости капитальных вложений в КУ и эксплуатационных издержек сети от мест установки и мощности КУ:

Ц = Ятку,И1аУМОКу^ку)), (3)

где £>ку - мощность КУ; Ику - номер узла.

Для отдельной расчетной схемы как элементарного участка распределительной сети, содержащей незначительное количество элементов (по отношению ко всей сети), справедливо заключить, что инвестиции в установку КУ на данном участке будут вкладываться в течение одного года, а динамика изменения эксплуатационных издержек при разных вариантах установки КУ будет одинакова. При таком условии в качестве целевой функции целесообразно использовать эквивалентные среднегодовые затраты как частный случай чистого дисконтированного дохода.

Применение данной целевой функции становится возможным при использовании метода декомпозиции. Дополнительным эффектом, получаемым от данного приема, является снижение размерности решаемой задачи и уменьшение количества переменных в системе уравнений, ведь в реальной распределительной сети количество потенциальных мест подключения КУ может достигать сотен или тысяч.

Предложен принцип декомпозиции, позволяющий разделить электрическую сеть на расчетные графы, для каждого из которых составляются функционалы вида(З).

Целевая функция должна быть дифференцируемой и зависеть от параметра оптимизации - мощности КУ. Тогда, на основании функции среднегодовых эксплуатационных расходов, систему функционалов (3) можно представить системой уравнений целевых функций, каждое из которых имеет следующий вид:

3 = (Е + а)-К + И,,, = (£ + «)• {КПОСТ + К0 ■ ) + ДЯ. • с0 • Г • &у„ +

+с„-Т

- ■ К,: +-—;--«Г.

и2 * и2

(4)

где Е — норматив дисконтирования;

= - доля отчислений на амортизацию, ремонт и обслуживание

сч

КУ;

т - число ветвей в схеме, потери мощности в которых снижаются после установки к-х КУ;

п - порядковый номер рассматриваемого КУ;

к - количество КУ, влияющих на поток реактивной мощности по рассматриваемой ветви;

0,у - поток реактивной мощности в начале ветви у, начиная с головного участка, который может быть снижен при установке к-го КУ, Мвар;

()ку< - мощность КУ, устанавливаемого в ¡-ом узле и влияющего на поток реактивной мощности ветви у, Мвар;

Р„ — активная мощность узла п, в котором подключено КУ, МВт; реактивная мощность узла п, в котором подключено КУ, Мвар;

Л,г,— активное сопротивление у участка схемы, Ом;

/?7„ - активное сопротивление трансформатора, к шинам которого подключается КУ, Ом (через который снижается поток реактивной мощности);

и — напряжение сети, кВ.

При поиске мест установки и мощности КУ необходимо найти минимум системы уравнений, состоящей из к-го количества целевых функций (4). При этом количество уравнений в системе будет определяться количеством потенциальных мест подключения КУ. Отсюда критерием оптимизации является минимум функции среднегодовых эксплуатационных расходов.

С учетом простоты получения решения, вида целевой функции для ее минимизации на основании анализа существующих методов оптимизации выбран классический метод безусловного экстремума. Его выбор также обоснован возможностью выявления перегруженных участков сети, требующих замены проводов на большее сечение.

После разделения всей сети на расчетные графы, дифференцирования и упрощения системы из к целевых функций каждое из уравнений системы для определения места установки и мощности КУ примет вид:

В работе показано, что при поиске мест установки и мощностей КУ нет необходимости составлять уравнения для самой целевой функции и затем их минимизировать. Можно сразу перейти к решаемой системе уравнений по следующему правилу. Каждое уравнение составляется для одного потенциального места включения КУ, но включает в себя КУ во всех смежных узлах сети, влияющих на одни и те же потоки РМ. Первая составляющая (5) рассчитывается для каждого потенциального места подключения КУ. Следующие т составляющих включают в себя сумму произведений разностей потоков РМ по т ветвям и мощностей КУ, влияющих на эти потоки, и соответствующих активных сопротивлений ветвей. Последняя составляющая (5) представляет собой произведение разности РМ узла и мощности КУ, установленной в данном узле на сопротивление соответствующего трансформатора.

к

(5)

где Ап =

[(Я+ «)■*, +ЛР -са-Т~]-Цг

Например, для графа с односторонним питанием, приведенного на рисунке 4, при установке КУ в каждом из узлов НН система уравнений имеет вид (6):

гл -(а_,-о™ -а™,., -&■>-„ К-(а -От)Яп =о. < 4-і -(а , -в^к -а™,-,- -(а-.К-. =о. (6) -(а., -е», -е™,-,-с>л>, )«о, -(«,_„-, -аКУ.) ч,,, -(е„-._„ -е*»„)-д.-._. -

У"»

Рисунок 4 - Граф с односторонним питанием.

В матричной форме систему уравнений для поиска места установки и мощности КУ можно записать следующим образом:

Ы = ]"•[*]. (7)

где ]" матрица, полученная из активных сопротивлений и зависящая только от топологии сети;

[бку]- матрица искомых мощностей КУ;

[ЛГ] - матрица, объединяющая Л-коэффицпенты и известные потоки реактивной мощности по элементам сети, полученные по результатам расчетов электрических режимов.

Рассчитанные мощности КУ округляются до ближайших серийно выпускаемых, а их фактическая эффективность при включении в сеть оценивается на основании расчетов электрических режимов до и после КРМ.

При поиске мест установки и мощности КУ по выражению (7) выявлена зависимость, позволяющая составлять расчетные матрицы, входящие в (7) по топологии сети и направлению потоков реактивной мощности без предварительного составления уравнений вида (5). На основании полученной зависимости сформулировано следующее правило формализации.

Главная диагональ матрицы [я^. ] состоит из суммы активных сопротивлений элементов сети от источника реактивной мощности (рассматриваемого КУ) до центра питания по реактивной мощности, остальные элементы матрицы равны активным сопротивлениям элементов сети, на которые влияют смежные КУ; элементы матрицы [X] состоят из суммы А-коэффициентов, взятых с обратным знаком, для рассматриваемого КУ и суммы произведений потока реактивной мощности по элементу на его ак-

тивное сопротивление, причем элементы, «входящие» в сумму, разгружаются за счет установки рассматриваемого КУ. Проверкой составленной матрицы для участка с однонаправленным потоком реактивной мощности является ее симметричность относительно главной диагонали.

Общий вид расчетных матрицы для магистрального участка с N КУ, на котором рассматривается установка КУ с к-го до Л'-го узла следующий:

При этом узлы к+1 соответствуют местам установки КУ после А-го узла от центра питания.

Такой подход значительно сокращает общее время расчетов и трудоемкость работы с графами с потенциальным числом установленных КУ - три и более, а также снижает вероятность ошибок.

На основе предложенной методики, принципа декомпозиции и формализованного подхода к составлению расчетных матриц разработан алгоритм оптимальной КРМ для распределительных сетей в условиях неопределенности, который представлен в виде укрупненной блок-схемы на рисунке 5. Поясняя предложенную блок-схему, необходимо отметить, что для потоков низкого качества первым шагом является их достоверизация в случае недостоверных потоков, восстановление в случае неполных потоков и получение эквивалентных значений активной и реактивной мощностей, необходимых для КРМ, по методикам, изложенным во второй главе работы. Таким образом, исходная информация любого качества приводится к привычному виду для расчета установившихся режимов. Модель рассматриваемой сети для расчета установившегося режима до КРМ выполняется с учетом результатов ее морфологического описания. Расчет установившихся режимов до и после КРМ осуществляется в любой программе, предназначенной для расчетов установившихся режимов сложнозамкнутых сетей. Результаты сопоставления параметров режимов до и после КРМ, рассчитанных по эквивалентным нагрузкам, позволяют определить все необходимые составляющие эффекта от проведения КРМ.

В соответствии с многоуровневой иерархической моделью КРМ управление потоками РМ заключается не только в выборе КУ, но и подразумевает оптимизацию напряжений в замкнутых сетях, принадлежащих РСК.

С этой целью сформулирован порядок управления потоками реактивной мощности в сложнозамкнутых сетях 110 кВ путем регулирования уровней напряжения на шинах источников питания и установки статических компенсирующих устройств индуктивно-емкостного типа на шинах ВН ПС.

(8)

Полный достоверный

Неполный, недостоверным или неопределённый поток

Определение эквивалентных параметров режима узлов нагрузки

X

Расчёт режима до КРМ

X

Декомпозиция. электрической сети

Ввод исходных данных я систему компьютерной/ математики

Составление расчётных .: матриц

Определение мощности, и места установки КУ.

Рисунок 5 - Блок схема алгоритма оптимальной КРМ в условиях неопределенности (реализация первого этапа).

В четвертой главе предложена практическая реализация разработанной методики КРМ в условиях неопределенности и показано ее применение на

примере структурного подразделения «Южные ЭС» филиала ОАО «ДРСК» «Приморские электрические сети» (далее СП «Южные ЭС»),

Практическая реализация подразумевает синтез всех обозначенных подходов, необходимых для получения оптимальных управляющих воздействий на потоки РМ в распределительных сетях РСК.

В результате морфологического описания сетей СП «Южные ЭС» выявлено, что в рассматриваемой системе КРМ необходима, исходя из состава электроприемников потребителей. Для оценки возможных мест установки компенсирующих устройств выделены ПС, принадлежащие ОАО «ДРСК» и проанализированы их схемы. Определено, что из 166 ПС 35-110 кВ 81 ПС принадлежит рассматриваемой РСК, а распределительные устройства высокого напряжения (РУ ВН) позволяют подключить компенсирующие устройства без дополнительных существенных вложений к шинам ВН 11 ПС напряжением 110 кВ и 9 ПС напряжением 35 кВ.

Для расчетов электрических режимов составлен граф сети, включающий в себя 541 узел, 254 ветви и 257 силовых трансформаторов. Для всех узлов НН выполнен расчет эквивалентных значений активной и реактивной мощности по выражениям, отражающим степень качества информационных потоков в каждом из них с учетом неоднородности сети.

По результатам морфологического описания и расчета режима по эквивалентным нагрузкам сети СП «Южные ЭС» разделены на 50 расчетных графов напряжением 35-110 кВ.

По предложенной методике КРМ в сетях СП «Южные ЭС» рекомендована установка 50 КУ на шинах 6-10 кВ ПС общей мощностью 46775 квар.

Сопоставление результатов расчетов электрических режимов до и после КРМ для сетей СП «Южные ЭС» показало следующее:

• увеличилась пропускная способность 90 ЛЭП 35-110 кВ из 245 (37%), и 69 трансформаторов на 47 ПС (27%);

• суммарное снижение загрузки трансформаторного оборудования после КРМ составило 26,3 МВА, что эквивалентно ежегодной установке дополнительного трансформатора мощностью 25 МВА стоимостью порядка 40 млн. руб. или дополнительному пропуску 130 млн. кВт- ч электроэнергии в год, что эквивалентно 195 млн. руб.;

• потери активной энергии в сетях 35-110 кВ снизились на 5,6 млн. кВт- ч в год или на 2,8 %.

• экономический эффект от проведенной КРМ, обусловленный снижением потерь активной мощности в сети, равен 8,4 млн. руб. в год.

Для сложнозамкнутых сетей 110 кВ СП «Южные ЭС» рассмотрена целесообразность использования дополнительных способов управления потоками реактивной мощности: изменение напряжения источников питания (ИП) и установка статических компенсирующих устройств на шинах 110 кВ. Критерием целесообразности управления потоками реактивной мощности в сложнозамкнутых являлись суммарные потери активной мощности в сети.

Возможность применения данного критерия подтверждена сенсорным анализом.

Изменение напряжений ИП относительно полученных после проведенной КРМ приводило к росту суммарных потерь активной мощности в сети, хотя по отдельным линиям наблюдалось снижение потоков РМ. При установке компенсирующих устройств напряжением 35-110 кВ на шинах ВН ПС наблюдался аналогичный эффект.

Таким образом, для сетей СП «Южные ЭС» доказано отсутствие необходимости дополнительного управления потоками РМ в сложнозамкнутых сетях 110 кВ после выполнения мероприятий по КРМ, рекомендованных на основании предложенной методики.

В пятой главе обоснован дуальный подход для управления потоками реактивной мощности в сетях РСК, предложены аналитические выражения, выявляющие зависимости составляющих эксплуатационных издержек от воздействия КРМ на сеть, и разработаны процессы реализации оптимального управления потоками РМ.

Функционирование электроэнергетики в рыночных условиях приводит к необходимости оптимизации производственных процессов и внедрения систем эффективного менеджмента. В связи с этим современный системный подход к управлению потоками РМ должен включать в себя два этапа: технологическое управление потоками реактивной мощности и качественный менеджмент по внедрению предложенного механизма управления ими. Данное сочетание позволяет получить максимально возможную прибыль от КРМ.

Графически дуальный подход к управлению потоками РМ изображен на рисунке 6.

Управление потоками реактивной мощности

Технологическое управление

Оптимальная КРМ в разомкнутых сетях

Управление потоками реактивной мощности в сложнозамкнутых сетях 110 к В

Качественный менеджмент

Г,

Оценка широкого спектра действия КРМ

Процессное управление

Системный эффект для РСК

I

Рисунок 6 - Системный эффект при современном подходе к управлению потоками реактивной мощности.

Он подразумевает выполнение всех этапов управления потоками РМ силами специалистов сетевых компаний, в наибольшей степени владеющих информацией о собственном оборудовании. При этом отсутствие четкого разделения выполняемых задач между специалистами разных отделов приведет к

ошибкам при получении результатов и (или) при принятии решений по последовательности внедрения КУ.

За счет дуального подхода удалось выявить «скрытый» эффект от КРМ за счет снижения ряда значимых составляющих эксплуатационных издержек, традиционно не рассматриваемых при управлении потоками РМ. Результирующий управляющий эффект от КРМ состоит из суммарного изменения эксплуатационных издержек и снижения ущерба РСК за счет уменьшения простоя потребителей.

Суммарное изменение эксплуатационных издержек в результате КРМ складывается из снижения амортизационных отчислений за счет увеличения срока службы изоляции трансформаторов (5Иа), снижения отчислений на ремонт и обслуживание оборудования (8Ирс) и снижения издержек на покрытие потерь активной энергии (8ИЫГ). Изменение 8Иа и 8Иро предложено рассчитывать через снижение токовой нагрузки трансформаторного оборудования после КРМ. При этом использовалась теория нагрева силовых трансформаторов. Снижение ущерба РСК, связанного с уменьшением простоя потребителей, происходит за счет повышения надежности работы трансформаторов, что является следствием уменьшения частоты постепенных и внезапных отказов в результате КРМ. Выявлены зависимости показателей надежности от влияния КРМ на оборудование электрических сетей.

В работе получены выражения для расчета всех приведенных выше составляющих.

Опираясь на известные работы по системе менеджмента качества и стандарт ISO 9001, разработаны диаграммы макро- и микропроцессов для оптимального управления потоками РМ в условиях неопределенности.

В частности, реализуются следующие макропроцессы:

• сбор, обработка и достоверизация исходных данных;

• выбор места установки и мощности компенсирующих устройств;

• оценка эффективности управления эксплуатационными издержками посредством КРМ.

Диаграммы процессов отражают как выполняемые функции, так и службы (отделы) их реализующие. На рисунке 7 в качестве примера приведена диаграмма микропроцесса оценки эффективности управления эксплуатационными издержками при КРМ.

Результатом данного процесса является ранжирование КУ по очередности внедрения. Для наиболее прибыльного внедрения КУ предложено использовать матрицу эффективности, отражающую величину воздействия конденсаторных установок каждого графа на распределительную сеть. Ее форма дана в таблице 1. Т.о., очередность внедрения КУ при дуальном подходе должна основываться на всех полученных составляющих эффекта от КРМ, синтезированных в матрице эффективности для расчетных графов.

Ранжирование мероприятий по установке КУ рекомендуется осуществлять по величине суммарного управляющего эффекта: от больших значений к меньшим. Такая матрица была разработана для СП «Южные ЭС».

Инженеры проектных групп

Определение снижения

Служба интенсивности отказов

ПС оборудования после

КРМ

Расчёт вероятного снижения ущербов от перерывов эл е ктросн абжен и я

Инженеры проектных групп

Сопоставление потерь энергии до и после целом

КРМ по сети Е

Расчёт экономии за Служба

счет снижения потерь транспорта

энергии электроэнергии

Сопоставление токовой загрузки оборудования до и после КРМ по сети в целом

Инженеры по режимам

Расчёт увеличения срока службы оборудования

Определение сокращения частоты ремонтов после КРМ Служба ремонтов

і

Расчёт сокращения отчислений на ремонты Служба ремонтов

Служба ПС

Расчёт комплексной эффективности каждого рекомендуемого устройства

Инженеры проектных групп

X

Расчет снижения амортизационных отчислений

Инженеры проею"ных групп

Ранжирование по

Инженеры

очередности установки проектных групп

Рисунок 7 - Процесс оценки эффективности управления эксплуатационными

издержками при КРМ.

Таблица 1 - Матрица эффективности предлагаемых решений по установке КУ.

Наименование расчётного графа Снижение издержек на потери электроэнергии Снижение издержек на амортизационные отчисления Снижение издержек на ремонт и обслуживание Снижение издержек на ущербы от перерывов электроснабжения Суммарный управляющий эффект

1 и„ И,2 И,3 И,4 и,

2 Ил И22 и23 и24 и2

N Им1 Ию Икз Ик4 Ик

В результате расчета снижения эксплуатационных отчислений по предложенным выражениям для оборудования СП «Южные ЭС» посредством КРМ получен суммарный управляющий эффект в размере 26,2 млн. руб. в год, в том числе 8,5 млн. руб. за счет снижения потерь, 15 млн. руб. за счет снижения ущербов от перерывов электроснабжения потребителей, 1,9 млн. руб. за счет снижения амортизационных отчислений и 0,7 млн. руб. за счет снижения отчислений на ремонт и обслуживание трансформаторов.

При сопоставлении суммарного управляющего эффекта и стоимости мероприятий по КРМ простой срок окупаемости предложенных мероприятий составляет 4 года.

В настоящее время при частичном внедрении мероприятий по оптимальной КРМ (внедрено 25 КУ суммарной мощностью 15,5 Мвар) подтвержден годовой эффект за счет снижения потерь, равный 2,6 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования, результаты которых представлены в настоящей работе, позволили получить следующие выводы и результаты.

• В связи с развитием рыночных отношений в стране значимость проблемы КРМ существенно возросла, в то время как методическая основа ее проведения не изменилась и пришла в противоречие' с условиями функционирования электрических сетей.

• Основываясь на статистическом анализе информационных потоков в распределительных электрических сетях, расширена область применения обобщенной модели токовой нагрузки и ее инженерных реализаций, предложенных Н.В. Савиной, для управления потоками РМ. Доказана их применимость для параметров режима, используемых при компенсации реактивной мощности в распределительных электрических сетях.

• Предложена и обоснована многоуровневая иерархическая модель КРМ, позволяющая обеспечить в распределительных сетях оптимальные значения потоков реактивной мощности при любом качестве информационных потоков как при ретроспективном анализе, так и при текущих значениях и при прогнозировании параметров режима.

• Разработанные на основе многоуровневой иерархической модели КРМ метод КРМ, алгоритм его реализации и инженерная методика позволяют распределительным сетевым компаниям при любой системе сбора и обработки исходных данных получать оптимальные места установки и мощности компенсирующих устройств.

• Разработан формализованный подход для реализации КРМ в условиях неопределенности в распределительных сетях любой конфигурации, что обеспечивает унифицированность метода и возможность его применения в каждой РСК.

• Разработана методика комплексной оценки эффективности КРМ, основанная на выявленном воздействии КРМ на уровень потерь мощности в сети, на срок службы оборудования, на надежность его функционирования и снижение отчислений на ремонты, которая позволяет сетевым распределительным компаниям включать ее в программу управления эксплуатационными издержками.

• На основании значительного количества показателей, отражающих эффективность каждого КУ, предложено определять последовательность их внедрения в РСК с помощью матрицы эффективности, чтобы получить наибольший системный эффект. Для эффективного внедрения методики КРМ в эксплуатацию разработан процессный подход, в котором учтена работа служб сетевых компаний технического блока.

• Апробация предложенного метода КРМ и оценка системного эффекта от внедрения КУ показаны на примере СП «Южные ЭС» филиала ОАО «ДРСК» «Приморские электрические сети». Ожидаемый годовой экономический эффект после внедрения всех КУ, рекомендованных к установке, составит 26,2 млн. руб. в год, а ежегодное снижение потерь - 5,6 млн. кВт- ч или 8,5 млн. руб. Подтвержденный эффект от внедрения 25 КУ суммарной мощностью 15,5 Мвар составил 2,6 млн. руб. в год за счет снижения потерь активной энергии. Результаты расчетов, полученные после оценки экономической эффективности и реального внедрения компенсирующих устройств, доказывают целесообразность использования разработанной методики КРМ в эксплуатации.

• Предложено применение дуального подхода к оптимальному управлению потоками реактивной мощности, заключающееся в одновременном использовании технологического управления и менеджмента.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Казакул A.A. Методика оптимальной компенсации реактивной мощности в сетях распределительных компаний в условиях неопределенности [Текст] / А. А. Казакул, Н. В. Савина // Вестник Ивановского государственного университета. - Иваново: ИГЭУ - 2010. - С. 42-46.

2. Казакул А. А. Управление эксплуатационными издержками в распределительных сетевых компаниях посредством оптимальной компенсации реактивной мощности [Текст] / А. А. Казакул, Н. В. Савина, Ю. В. Мясоедов // Вестник Иркутского государственного технического университета. - Иркутск: ИрГТУ, 2011.-№6(53).-С. 130-136.

3. Казакул А. А. Прогнозирование реактивной мощности узлов нагрузки для оптимальной компенсации реактивной мощности в условиях неопределенности [Текст] / А. А. Казакул. Н. В. Савина // // Вестник Иркутского государственного технического университета. — Иркутск: ИрГТУ, 2012. -№ 2(61). - С.92-99.

Публикации в других изданиях:

4. Казакул А. А. Оценка чувствительности целевой функции компенсации реактивной мощности к достоверности и полноте исходной информации [Текст] / А. А. Казакул, Н. В. Савина, Я. В. Кривохижа, А. С. Сергеев // Вестник Амурского государственного университета. - Благовещенск : Изд-во Амур.гос. ун-та, 2008. - Вып. 41. - С. 58-64.

5. Казакул А. А. Формализация процесса оптимизации мощности компенсирующих устройств в распределительных сетях [Текст] / А. А. Казакул, Н. В. Савина // Сборник трудов пятой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность энергоресурсов», - Благовещенск: АмГУ. - 2008. - С. 8691.

6. К аза кул А. А. Моделирование многомерного информационного потока для задач управления реактивной мощностью в условиях либерализации систем энергетики [Текст] / А. А. Казакул, Н. В. Савина // Энергетика России в XXI веке: стратегии развития - восточный вектор; Энергетическая кооперация в Азии: что после кризиса? : материалы объединенного симпозиума

7. Казакул А. А. Повышение эффективности управления потоками реактивной мощности путем учета неоднородности электрической сети [Текст] / А. А. Казакул, Н.В. Савина // Материалы VI международного польско-украинского семинара «Проблемы электроэнергетики». - Лодзь : Издательство Лодзинского технического университета. - 2010. - С. 113-120.

8. Казакул А. А. Снижение эксплуатационных расходов распределительных сетевых компаний путем оптимальной компенсации реактивной мощности [Текст] / А. А. Казакул. Н. В. Савина // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» -Иркутск: ИрГТУ. - 2011. - С. 563-568.

9. Казакул А. А. Управление потоками реактивной мощности в распределительных сетевых компаниях на основе процессного подхода [Текст] / А. А. Казакул, Н. В. Савина // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: сб. трудов шестой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Благовещенск: Изд-во Амур.гос. ун-та, 2011. - С. 94-99.

10. Казакул А. А. Оценка чувствительности функции потерь мощности для выбора параметров режимной информации и их оптимального объема (тезисы) // Материалы VIII региональной межвузовской научно-практ. конф. «Молодежь XXI века: шаг в будущее» - Благовещенск: БГПУ, 2007. - Кн.З. -С.224-245.

11. Казакул А. А. Оптимальная компенсация реактивной мощности в условиях неполного исходного информационного потока [Текст] / А. А. Казакул, Н. В. Савина// Молодежь XXI века: шаг в будущее. Матер. XI регион, науч.-практ. конф., посвященной 65 годовщине Победы в Великой Отечественной войне. Благовещенск: АмГУ, 2010. - 4.4. - С.64-65.

Подписано в печать: 20.05.2012 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,08 Тираж 150 экз. Заказ №

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Амурский государственный университет» (ФГБОУВПО «АмГУ»)

На правах рукописи

КАЗАКУЛ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ

Специальность 05 Л 4.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Н.В. Савина

Благовещенск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 1 Глава 1. Современное состояние проблемы управления потоками

реактивной мощности в распределительных сетях 15

1.1 Характеристика методов управления потоками реактивной мощности 15

1.1.1 Нормативно-правовое обеспечение проблемы КРМ 17

1.1.2 Анализ методов КРМ 21

1.1.3 Автоматизация решения задачи оптимизации потоков реактивной мощности 37

1.1.4 Выбор технических средств при управлении потоками реактивной мощности в распределительных сетях 40

1.2 Морфологическое описание электрических сетей РСК для решения задачи управления потоками реактивной мощности 44

1.3 Задачи оптимального управления потоками реактивной мощности 47

1.4 Выводы 47 Глава 2. Методы и модели представления информационных потоков для управления реактивной мощностью 49

2.1 Анализ полноты и достоверности исходной информации

для решения задач управления потоками реактивной мощности 49

2.2 Разработка обобщенной модели реактивной мощности узлов нагрузки 64

2.3 Моделирование реактивной мощности при полном достоверном потоке информации 77

2.4 Восстановление информационного потока реактивной мощности 80

2.5 Выводы 87 Глава 3. Разработка метода оптимизации потоков реактивной мощности для распределительных сетевых компаний в условиях неопределенности 88 3.1 Анализ методов оптимизации 88

3.2 Разработка многоуровневой иерархической модели компенсации

реактивной мощности 93

3.3 Разработка метода оптимального управления потоками реактивной мощности в сетях РСК 98

3.4 Разработка методики оптимальной компенсации реактивной мощности в условиях неопределённости 99

3.4.1 Составление систем уравнений для решения задачи оптимальной компенсации реактивной мощности 106

3.4.2 Составление уравнений оптимальной компенсации реактивной мощности при декомпозиции электрической

сети 107

3.4.3 Первоначальная оценка эффективности решений по оптимизации потоков реактивной мощности 113

3.5 Формализация поиска узлов и мощностей КУ 115

3.6 Алгоритм оптимальной КРМ в распределительных сетях 117

3.7 Управление потоками реактивной мощности в замкнутых сетях 120

3.8 Выводы 121 Глава 4. Практическая реализация оптимального управления потоками реактивной мощности в сетях распределительных сетевых компаний 122

4.1 Порядок практической реализации оптимальной КРМ 122

4.2 Управление потоками реактивной мощности в сетях

филиала ОАО «ДРСК» «Приморские электрические сети» 124

4.2.1 Морфологическое описание сети 124

4.2.2 Определение типов информационных потоков, описывающих режимные параметры в узлах 126

4.2.3 Определение эквивалентных значений параметров режима 126

4.2.4 Анализ режимной ситуации до КРМ 128

4.2.5 Декомпозиция распределительной сети 130

4.2.6 Выбор оптимальных мест установки и мощностей КУ 132

4.2.7 Анализ режимной ситуации после КРМ 137

4.2.8 Управление потоками реактивной мощности в замкнутых сетях 110 кВ путём регулирования напряжения на шинах ИП 140

4.2.9 Управление потоками реактивной мощности в замкнутых сетях с помощью статических источников реактивной мощности 110 кВ 149

4.3 Выводы 155

Глава 5. Управление эксплуатационными издержками распределительных сетевых компаний посредством оптимальной КРМ 157

5.1 Влияние оптимальной компенсации реактивной мощности на

эксплуатационные издержки РСК 158

5.1.1 Комплексный эффект от компенсации реактивной мощности 158

5.1.2 Влияние компенсации реактивной мощности на амортизационные отчисления 160

5.1.3 Влияние компенсации реактивной мощности на показатели надежности элементов сети 162

5.2. Управление эксплуатационными издержками РСК путём

оптимальной КРМ 169

5.2.1 Определение снижения отчислений на ремонт и обслуживание 169

5.2.2 Уменьшение величины издержек на потери активной энергии 171

5.2.3 Определение снижения эксплуатационных издержек в

СП «Южные ЭС» путём оптимальной КРМ 172

5.3 Описание системы оптимального управления потоками

реактивной мощности в распределительных сетевых компаниях 174

5.4 Матрица эффективности принимаемых решений по внедрению методов и средств управления потоками реактивной

мощности в распределительных сетях 180

5.5 Выводы 183 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 184 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 186

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Оценка срока окупаемости конденсаторных установок при различных коэффициентах реактивной мощности нагрузки 205

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты морфологического анализа и анализа электрических режимов до и после КРМ 209

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Граф СП «Южные ЭС» филиала ОАО «ДРСК» «Приморские ЭС» для расчёта электрических режимов 217

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Результаты расчётов электрических режимов до и после КРМ СП «Южные ЭС» филиала ОАО «ДРСК»

«Приморские ЭС». Протоколы 8БО-6 219

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Расчётные графы СП «Южные ЭС» филиала ОАО «ДРСК» «Приморские ЭС» для расчёта оптимальной КРМ в условиях неопределённости 306

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Расчёт оптимальной КРМ на примере СП «Южные ЭС» филиала ОАО «ДРСК» «Приморские ЭС». Листинг МаЛСас! 317

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Комплексный расчёт эффективности КРМ на примере СП «Южные ЭС» филиала ОАО «ДРСК» «Приморские ЭС». Листинг МаЛСаё 329

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Акт внедрения результатов работы в филиал ОАО «ДРСК» «Приморские ЭС» 339

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АИИС КУЭ - автоматизированная информационно - измерительная система контроля и учёта электроэнергии;

АКФ - автокорреляционная функция;

АТЭЦ - Артёмовская ТЭЦ;

БК - батарея конденсаторов;

В Л - воздушная линия;

ВН - высшее напряжение подстанции;

ЕНЭС - единая национальная электрическая сеть;

КРМ - компенсация реактивной мощности;

КУ - конденсаторная установка;

ЛЭП - линия электропередач;

НКФ - нормированная корреляционная функция;

НН - низшее напряжение подстанции;

ОАО «ДРСК» - открытое акционерное общество «Дальневосточная распределительная сетевая компания»;

ОИК - оперативно - измерительный комплекс;

ПВК - программно - вычислительный комплекс;

ПС - подстанция;

РМ - реактивная мощность;

РСК - распределительная сетевая компания;

РЭС - районная электрическая сеть;

СН - среднее напряжение подстанции;

СП - структурное подразделение;

СТК - статический тиристорный компенсатор;

ТМ - телемеханика;

ШР - шунтирующий реактор;

ЭЭС - электроэнергетическая система.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В современных условиях обеспечение эффективного управления электроэнергетическими системами входит в ранг первоочередных задач и при грамотной реализации несомненно даст ожидаемый эффект как для энергетических компаний, так и для потребителей электрической энергии.

Для компаний, обеспечивающих транспорт электрической энергии, максимальный эффект можно получить только при оптимальном управлении потоками мощности и энергии. Одним из основных показателей эффективности являются потери активной мощности и энергии.

В распределительных сетевых компаниях оптимизацию режима в электрических сетях целесообразно выполнять посредством управления потоками реактивной мощности и уровнями напряжений. Это можно сделать как имеющимися источниками реактивной мощности и устройствами регулирования напряжения, так и дополнительными компенсирующими устройствами, эффективность которых необходимо обосновать.

Управлять потоками реактивной мощности можно посредством компенсации реактивной мощности.

Под КРМ понимается выработка реактивной мощности в некоторых узлах сети, с тем, чтобы снизить её величину, генерируемую на станциях и передаваемую по электрическим сетям. Такие мероприятия позволяют добиться ряда преимуществ: снизить потери мощности, напряжения, увеличить пропуск распределительной сети, повысить устойчивость и надёжность электропередач.

Рациональная КРМ давно признана одним из способов повышения эпер-гоэффективности электрических сетей, подтверждением чего являются многочисленные методики, разработанные в [3-5,13,22, 29,36, 37, 42,44, 48, 50, 51,68, 69, 71, 73,92,93 111, 135, 147,151-158 и др.].

Оптимизационная задача КРМ заключается в получении наиболее выгодного решения для рассматриваемого объекта в конкретных условиях его функционирования и взаимодействия.

На сегодняшний день применение методов КРМ, разработанных при плановой экономике, неэффективно в связи с изменившимися условиями функционирования электроэнергетической системы (ЭЭС).

Существующие алгоритмы, основанные на нечёткой логике с использованием искусственных нейронных сетей (ИНС), дают только частные решения рассматриваемой задачи.

Подтверждением отсутствия эффективного метода КРМ, применяемого в электрических сетях, являются завышенные коэффициенты реактивной мощности, неоптимальные уровни напряжения в узлах нагрузки, перегрузка оборудования [15, 109], а также принятые нормативно-правовые акты [99,101, 102,106].

Качество проведения оптимизации потоков реактивной мощности зависит не только от выбранной методики, но и от качества исходной информации, а точнее от степени её искажения или неопределённости [123,124, 130]. Неопределённость при решении задачи управления потоками реактивной мощности заключается в стохастическом характере изменения активных и реактивных па-грузок, недостоверности или отсутствии информации о них, что сегодня связано с укрупнением центров питания, слабой обеспеченностью измерительными приборами, с функционированием рынков электрической энергии, а также с изменением схем электрических сетей (точек нормального размыкания) в процессе эксплуатации.

Но даже при стопроцентном оснащении всех ПС и потребителей приборами учёта активной и реактивной энергии (и мощности) неопределённость информации будет иметь место в ЭЭС. Только определяться она будет уже не метрологической составляющей, а свойствами стохастичности электрических нагрузок и условиями работы рынков электроэнергии, а в дальнейшем - долей активных потребителей, подключенных к распределительной сети.

Ыа сегодняшний день условия неопределённости реактивных нагрузок проявляются достаточно сильно в распределительных сетях напряжением 110 кВ и ниже, принадлежащих РСК. Это связано с тем, что расчёты между смежными сетевыми организациями осуществляются только по активной энергии (и мощности), то есть точное измерение значений РМ не требуется, а большинство ПС не имеет системного значения, поэтому не обеспечивается устройствами телеизмерений.

Управление потоками реактивной мощности в сетях единой национальной электрической сети (ЕНЭС) выполняется из условия обеспечения надёжности и осуществляется путём проведением конкурентного отбора исполнителей услуг по регулированию перетоками реактивной мощности среди субъектов рынка и потребителей [103], который проводит ОАО «Системный оператор Единой энергетической системы» (далее Системный оператор). То есть в сетях ЕПЭС управление потоками реактивной мощности осуществляется Системным оператором, исходя из требований надёжности, а не оптимальности. Существующие повышающие и понижающие коэффициенты за соотношение активной и реактивной мощности для потребителей [96, 107] также призваны повысить надёжность функционирования энергосистемы, а не её экономичность. Как показала практика, реформирование электроэнергетической отрасли привело к отказу от централизованного повышения технико-экономических показателей ЭЭС.

При конкретном проектировании тип, мощность и другие параметры компенсирующих устройств выбираются в зависимости от поставленной задачи: регулирования напряжения в нормальных и послеаварийных режимах, снижения потерь активной мощности (энергии) в сети, увеличения пропускной способности элементов сети, снижения уровней несинусоидальности и несимметрии напряжений до нормируемых значений.

Однако КРМ, как совокупное решение всех указанных задач, при исходной информации разного качества, осуществляемое на основе системного анализа, до сих пор не рассматривалась.

Современное направление развития электроэнергетических систем, как в мире, так и в России связано с развитием Smart Grid или активно-адаптивных сетей [15, 17, 21, 39, 141,142, 144], что приводит к необходимости пересмотра принципов и способов управления.

Проблема управления электроэнергетическими системами в современных условиях многогранна и должна заключаться не только в разработке принципа управления технической системой, но и способа внедрения данного принципа на производстве. В этом раскрывается дуальный подход к управлению: технологическое управление и менеджмент. Поэтому в настоящей работе понятие оптимального управления потоками РМ рассматривается в ракурсе двух решаемых задач: технологического управления потоками РМ и системы менеджмента для эффективного управления эксплуатационными издержками и получения максимальной прибыли.

Таким образом, задача оптимального управления потоками реактивной мощности в условиях неопределённости для повышения технико-экономических показателей в сетях РСК является актуальной.

Объектом исследования настоящей работы являются электрические сети напряжением 6-110 кВ распределительных сетевых компаний.

Предмет исследования: потоки реактивной мощности на разных временных интервалах при эксплуатации электрических сетей.

Целью диссертационного исследования является разработка метода и алгоритма оптимизации потоков реактивной мощности в распределительных сетях в условиях неопределённости.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

• анализ современного состояния управления потоками реактивной мощности и обзор технических средств, применяемых для его реализации;

• моделирование параметров режима при различной степени полноты и достоверности исходной информации для управления потоками реактивной мощности;

• разработка метода и алгоритма оптимальной КРМ в распределитель-пых электрических сетях в условиях неопределенности;

• формализация процесса решения разработанного метода;

• управление эксплуатационными издержками путем КРМ в условиях неопределенности на основе системы менеджмента качества.

Методология исследований опирается на основные положения математического моделирования, системного анализа, теорию случайных процессов, нечётких множеств, вейвлет-анализа.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждены верификационными расчётами и результатами внедрения в ОАО «ДРСК».

Научная новизна.

1. Расширена область применения моделей информационных потоков, предложенных Савиной Ы.В., па управление реактивной мощностью в распределительных электрических сетях.

2. Разработана многоуровневая иерархическая модель компенсации реактивной мощности, основанная на системном подходе и позволяющая, в отличие от существующих подходов, обеспечить оптимальные потоки реактивной мощности в сетях 6-110 кВ распределительных сетевых компаний в условиях неопределенной режимной и схемной информации.

3. Разработан метод компенсации реактивной мощности, отличающийся возможностью получения оптимальных результатов при неполноте и недостоверности исходной информации, позволяющий эффективно управлять потоками реактивной мощности в распределительных электрических сетях напряжением 6-110 кВ, достигая максимального для эксплуатации эффекта.

4. Впервые предложен формализованный подход, с помощью которого разработанный метод КРМ в условиях неопределенности быстро реализуется для распределительных сетей любой конфигурации с помощью существующих программных продуктов.

5. Разработан алгоритм управления потоками реактивной мощности в распределительных сетях при использовании исходной информации любого качс-

ства, в том числе и низкого, обеспечивающий высокую эффективность управления па разных временных интервалах.

6. Впервые применен процессный подход для управления уровнем эксплуатационных издержек распределительных сетевых компаний путем компенсации реактивной мощности.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработана инженерная методика управления потоками РМ в распределительных сетях в условиях неопределенности, которая позволяет с помощью широко распространенного сертифицированного программного обеспечения получить оптимальные мощности и места подключения компенсирующих устройств.

Реализация предложенной инженерной методики